第二章 太阳能

第二章太阳能及其利用技术

§2.1概述§2.2太阳辐射§2.3太阳能热利用§2.4太阳能光电转换§2.1概述§2.2太阳辐射2.2.1太阳和地球

2.2.2太阳常数和辐射波长2.2.3太阳辐射的有关名词与符号2.2.4集热面上太阳入射角的计算2.2.5大气层外水平面上的太阳辐射§2.3太阳能热利用2.3.1.平板集热器2.3.2真空管集热器2.3.3聚集型集热器2.3.4太阳能热利用系统1.太阳能热水系统2.太阳暖房3.太阳能制冷系统4.太阳能热发电5.太阳能海水淡化6.建筑采光照明§2.3太阳能光电转换2.4.1

太阳光伏原理2.4.2太阳能电池

§2.1概述2.1.1太阳能的性质（1）永久性；（2)总能量很大

辐射通量为1.7×1014kW，年接受总量为1×1018kWh

（相当于5×1014桶原油，是探明原油储量的近千倍，是世界年总能耗的一万余倍。比核能、地热和引力能总和大5000多倍）。其中：约30％被反射回宇宙空间；47％转变为热，以长波辐射形式返回空间；约23％是蒸发、凝结的动力，风和波浪的动能；不到0.5％用于植物光合作用。（3）通量密度较低大气层外为1353W/m2，通过大气层时衰减。（4）可再生清洁能源，无污染；（5）具有间歇性；受天气、昼夜及空气污染等影响，时高时低，时有时无。（6）免费能源，初投资较高；（7）易实现热能能级的合理匹配，做到热尽其用。公元前212年，阿基米德用小平面镜将阳光聚集起来烧毁了罗马舰队。17世纪伽利略对太阳进行了认真的研究。不久，有人用太阳能熔化钻石。18世纪初发明了用太阳能驱动的发动机。20世纪初曾利建立了太阳能蒸馏水厂，埃及成功地运行了灌溉用的太阳能水泵。

2.1.2太阳能利用现状和展望1、太阳能利用历史回顾1920～1930年，美国加州用太阳能集热器为用户供应热水。1938年麻省理工学院建成了第一座用太阳能采暖的建筑。到1960年，世界上建成20座试验性建筑。太阳能电池为卫星、宇宙飞船供电成功。建立大型地面太阳能热电厂。在空间建造太阳能电站，以微波形式发射到地面，再在地面转换为电能。用阳光产生的微小压力作为星际飞行器的动力等。1973年的能源危机。1975—1985年10年间，美国花费60亿美元研究太阳能，其特点是：（1）国家重视。1978年卡特总统宣布，到2000年美国总能源的20％将由太阳来提供。许多著名的国家实验室和大学都承担了重要课题。成立了太阳能情报网络，并在每个州都设有专管太阳能的机构。（2）对新能源的研究范围广：太阳能空间加热和空调（被动和主动式）；太阳能热发电；太阳能光发电；太阳能制冷；海洋热能发电；波浪和潮汐发电；风力发电；生物质能；地热能；残余物的高温分解（气化）。

（3）形成有一定竞争力的太阳能行业，建立起一批技术先进、规模较大的示范系统。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量:3.3×103～8.4×106kJ/(m2·年)，相当于2.4×104亿t标煤。全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2200h，日照量在5×106kJ/(m2·年)以上。西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州省资源稍差外，东部、南部及东北等其它地区为资源较富和中等地区。

2、我国太阳能利用的发展太阳能热利用中最基本的部件—集热器，技术成熟，应用广范。按每平方集热器每年节约标准煤200kg计，全国年节煤20万t。1986年全国太阳灶拥有量为10.3万台，数量上已居世界领先地位。

被动式太阳房

是通过合理的建筑设计，使建筑物本身具有集热器、储热器和散热器的综合特性。我国20世纪70年代开始被动太阳能采暖建筑的研究开发和示范，至今已推广约1000万m2(建筑面积)

。

目前被动太阳能房开始由群体建筑向住宅小区发展，如甘肃省临夏市建成占地9.8万m2、建筑面积9.2万m2的太阳能小区；兰州"阳光计划"投资4.28亿元在郊区兴建73.3万m2太阳能住宅小区等。我国被动太阳房采暖节能60％～70％，平均每m2建筑面积每年可节约20～40kg标准煤，发挥着良好的经济和社会效益，但在技术水平上同国外还有相当大的差距。

2010年，全国太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米，加上其它太阳能热利用，年替代能源量达到3000万吨标准煤。2020年，全国太阳能热水器总集热面积达到约3亿平方米，加上其它太阳能热利用，年替代能源量达到6000万吨标准煤。

（

据国家可再生能源中长期发展规划2007.8）太阳能干燥工农业产品、木材、药材、干果、橡胶和混凝土养护等。太阳能制冷、动力机等属于小型、试验阶段。太阳电池我国1958年开始研制卫星用硅太阳电池，1971用于第二颗卫星。太阳电池适用于缺电的边远地区。太阳能在铁路信号、航标、农牧设备、广播、电视、通讯、家用电器、计算器、照明和仪器、仪表等行业已开发的产品不下100种。太阳能实验电站1985年在新疆阜康县建成，发电能力为5000W的发电站。云南半导体厂从加拿大引进年产500kW的单晶硅太阳电池生产线。哈尔滨从美国克罗拉公司引进大面积非晶硅太阳电池生产线，芯片面积有304×304mm和304×912mm。年产能力为1000kW。但价格过高。

截至2002年，我国电池和组件的总生产能力约29MW/年。2002年我国太阳能电池和组件的实际生产量达到11MW，其中电池/组件生产6MW(其中2MW为非晶硅)，组件封装5MW。近10年太阳能电池和组件生产年均增长率25％。电池和组件性能不断提高，商业化晶硅电池效率由20世纪80年代的10％～12％提高到16％～18％。

2010年，太阳能发电总容量达到30万千瓦，到2020年达到180万千瓦。

（

据国家可再生能源中长期发展规划2007.8）沼气1983年我国小沼气池约有500万个，数量领先世界，年供能量相当于80万吨标准煤。大、中型沼气工程已有1000多处。南阳厂扩建工程年产气可达1200万m2，沼气可供南阳市50％人口使用。稻壳气化发电，木材气化以及城市垃圾的利用成果可喜。风能是随机能源，不稳定。我国南方沿海古代就用风车、车水。1959年江苏仍有20万台传统风车。我国10m高度处的风能总储量约为1.6×1012W。我国已应用百瓦级的小型风力发电机15000多台，其中内蒙有13000多台，占总数的90％。潮汐发电站

法国Brittany潮汐电站有12套240MW的机组一直在运行发电。我国从1958年就开始潮汐电站的试验，先后建成十几个小型电站，其中江厦电站稍大，为3000kW。

截至2002年末，全国已有上千家企业从事开发、生产、销售和安装太阳能热水器业务。太阳能热水器类型主要有3种：平板热水器以铜－铝复合板芯为主，其次是全铜板芯，少数为耐腐蚀铝板芯。真空管热水器以全玻璃管为主，其次是热管式真空管，后者具有更优良的耐高温性能、抗冻性能及热性能，热启动和工作性能也较好，但价格较贵。闷晒式将水箱与集热器合为一体，结构简单，成本低。2002年太阳能热水器销售量达到800万m2，其中真空管约450万m2，平板式250万m2，闷晒式100万m2

截至2002年底，全国太阳能热水器的保有量达到

3500万m2，销售额约达到100亿元，带来15万人的就业机会，并与燃气热水器和电热水器形成三足鼎立的局面。

2010年，我国约14亿人口，热水器户用比例如达到10％，热水器总安装量将达到5亿m2以上。亚太银行专家估计：按2m2/每户计算，热水负荷的75

％由太阳能供给，每年可节约310亿kWh电力(相当于1050万t标准煤)，相当于减少CO2排放3850万t。

§2.2

太阳射辐2.2.1太阳和地球一、太阳直径：1.39×106km，由氢和氦组成火球，质量：2.2×1027t(比地球重33.2万倍)体积：比地球大130万倍；平均密度：约为地球的1/4；离地球平均距离：1.5×108km。核聚变把氢变为氦，每秒钟亏损4.0×106t质量，产生360×1021kW功率。到达地球大气层上界1/（20亿），180×1012kW，衰减后为85×1012kW。设太阳半径为R：0～0.23R：约8～40×106K，密度为水的80～100倍，占太阳质量的40%，占太阳辐射的90%。0.7R处：130000K左右，密度降到70kg/m3。0.7～1R之间：对流层，约5000K，密度

10-5kg/m3。光球：对流区的外层，即太阳表面。约6000K，10-3kg/m3，厚约500km。电离程度很高，是太阳最大的辐射源。表面有黑子及光斑活动，周期约11年。

反变层：光球外数百公里厚的较冷气层。由极稀薄的气体组成，能吸收某些可见光谱的辐射。色球：反变层外，厚约1×104～1.5×104km，由低压氢和氦组成，约5000K，10-5kg/m3。有时出现日焰，辐射量猛增，形成太阳风，在地球产生磁暴或极光。色球外伸—银白色的日冕。太阳是各层发射和吸收各种波长的综合辐射体。可视为6000K，波长0.3～3μm的黑体辐射。图2-1太阳的结构1.地球公转与赤纬角地轴：贯穿地球中心与南、北极相连的线。自转、公转(周期一年)。椭圆的偏心率不大，近日点时，日地147.1×106km；远日点，152.1×106km，两者相差约为3%。黄道平面：地球公转的椭圆轨道平面。二、地球的运行地球自转轴与黄道平面夹角66°33′，方向不变，赤道平面与黄道平面的夹角23°27′。赤纬角：地心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角。一年变化范围±23°27′，形成四季。图2-2地球绕太阳运行图对北半球：夏至23°27′

（正射北回归线，南半球冬至）冬至-23°27′（正射南回归线）春分0°（正射赤道，南北半球日夜相等）秋分0°

回归线：地球上赤道两侧，南北回归线之间为热带，回归线的纬度为

23°27′

n—所求日期在一年中的日子数（表2-1）

（2-1）

（2-2）------制定标准时间采用的标准经度，（0）-------当地经度，（0）

当地太阳时：中午太阳光通过当地子午线，即在空中最高点处，定为太阳午时。与日常使用的标准时间不一致。（2-3）（2-4）E—时差修正值。太阳时角w：用角度表示的太阳时。每昼夜变化±1800，每小时相当于150中午太阳通过当地子午线时，取w=00；上午w取负值，下午取正值；例如：上午10点相当于-300，下午3点相当于450

（2-5）—一年中第n天在大气层外平面上测得的辐照度。2.2.2太阳常数和辐射光谱太阳常数:在大气层外、平均日地距离处，垂直于辐射传播方向上单位面积、单位时间内测得的太阳辐照度为1353W/m2，称为太阳常数，以Gsc表示。图2-3太阳-地球几何关系2.2.3太阳辐射的有关名词与符号

辐射按方向分：直射辐射(直达辐射或束辐射)——接受到的、直接来自太阳而不改变方向的辐射。散射辐射(扩散辐射或天空辐射)——接受到的、受大气层散射影响而改变方向的太阳辐射太阳总辐射——接受到的太阳辐射总和，等于直射辐射加散射辐射。测量仪器：直射辐射仪—如Eppley直射辐射仪。总辐射仪—测量半球空间太阳总辐射。若用遮光环挡住直射辐射，就可测散射辐射。辐射按波长分：短波和长波太阳辐射(短波辐射)——由太阳产生的辐射，波长范围由0.3～3.0µm，包含直射和散射辐射长波辐射——温度高于绝对零度的任何物体，都会发射辐射能。当物体温度接近环境温度时，发出的辐射波长一般都大于3µm。辐射量的单位名称不统一。辐射能：J；辐射能密度

(辐照量)：J/m2；辐射能通量

(辐射功率)：W；辐射能通量密度

(辐照度，辐射能流率)：

W/m2

常用辐照度G(W/m2)、辐照量H或I(J/m2)H—全天的辐照量，J/m2或MJ/m2；I—1小时的辐照量，J/m2或MJ/m2。H上面可加一横表示月平均值。

G，H，I加下角标有：o——大气层外b——直射辐射；d——散射辐射；T——倾斜平面；n——法向平面。下角标中不出现T和n就代表水平面，不出现b和d就代表总辐射。

2.2.4集热面上太阳入射角的计算

一、角度的定义太阳入射角θ:太阳光线与集热器表面法线间的夹角。可分为两个分量，一个垂直、一个平行于集热器表面，只有垂直分量能被截取，故θ越小越好。太阳高度角α：从地面某点向太阳中心作一条射线，该射线与其在地面上的投影线的夹角即α

。太阳天顶角θz：射线与地面法线的夹角。

θz+α=90°集热器水平放置，其法线与地面法线重合，则：

θ=θz，θ+α=90°图2-4有关几何角度太阳方位角γs：太阳光在地面上投影线与正南方的夹角。规定正南方为0°，西为正，东为负。变化范围-180°～+180°。集热器方位角γ：与太阳方位角γs类似，集热器表面法线在地平面上的投影，与正南的夹角为γ。集热器倾斜角β：集热器平面（法线）与水平面（法线）的夹角。

（2-6）

（2-7）

—地球纬度方位角γ=0时（集热器朝向正南）：任何季节、地理位置、集热器摆放位置和角度、任何时候，太阳入射角θ：二、角度间的关系和公式图2-5倾斜面上入射角与φ、β角的关系

（2-8）

（2-9）（2-10）（2-11）

（2-12）若β=

则：若β=0，则：每天日出日落时刻，太阳处于地平面上，太阳高度角α

=0，则日出日落时角：白昼长对于垂直表面：2.2.5大气层外水平面上的太阳辐射

大气层外、水平面上的太阳辐照度Go（W/m2）:Go=Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]cosθz(2-23)Gsc—太阳常数，1353W/m2

；

n—所求日期在一年中的日子数；

cosθz从式(2-9)求得，代入（2-13）得：

Go=Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*(sinφsinδ+cosφcosδcosω)(2-24)

H0=24×3600Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*(cosφcosδsinωs+2лωssinφsinδ/360°)/л(2-15)ωs—日落时角，度，用式(2-10)求。大气层外、水平面上每小时太阳的辐照量I0，J/m2：I0=12×3600Gsc[1+0.033cos（360°n/365）]*[cosφcosδ(sinω2-sinω1)+2л(ω2-ω1)sinφsinδ/360°]/л(2-16)大气层外、水平面上的太阳的全天辐照量H0（J/m2）：§2.3太阳能热利用

太阳能集热器：收集太阳能的装置，是热利用的关键部件，特殊换热器。基本原理：太阳辐射的能流密度低，为了提高被加热流体的温度，或提高能流密度低，须将太阳能收集起来，通过与工质（常用水或空气）换热，将热能加以利用。太阳能集热器工作原理图

按是否聚光分为：非聚光和聚光集热器

按流动工质分为：液体和空气集热器太阳能集热器的分类12

非聚光型集热器：照射到采光面的太阳辐射不改变方向，也不集中射到吸热体上。聚光集型热器：

有特殊的镜发射器或折射聚光器，将阳光会聚在面积较小的吸热面上，以提高能流密度，获得较高温度。只利用直射辐射，需要跟踪系统—用于高温集热，如太阳能热力发电。按工作温度范围可分为三类（1）低温型（工作温度﹤100℃）（2）中温型（工作温度100℃～200℃）（3）高温型（工作温度﹥200℃）2.3.1平板集热器

17世纪后期发明的。1960年进行深入研究和规模化应用。是世界太阳能市场的主导产品，是低温热利用部件。在低温范围，经济性比聚光型好，特点：（1）结构简单，不需跟踪；（2）工作可靠，成本较低；（3）可同时接收直射辐射和散射辐射；（4）热流密度低，加热后工质温度较低，运行安全

平板型的应用范围：（1）供热水食品加工业、制革、印染、养殖业、种植业等；（2）采暖、空调、制冷；（3）除湿、加温。2010年9月，常熟锦弘印染厂建成500吨热水工程，集热面7500㎡，使用真空管44800支，日供60℃热水500吨，一年以300天计，年均节约煤炭约2000吨，节省费用近200万元，减排CO2近3000吨、粉尘2300吨。3年左右收回投资。（一）平板型集热器的结构图2-7平板型集热器结构示意图

由吸热体、盖板、保温层、外壳组成。图2-8平板型集热器结构示意图1.吸热板

是吸收太阳能、传递热量的关键部件。（1）技术要求吸收率高。热传递性能好。与传热工质的相容性好。具有一定的承压能力。加工简单，成本低，便于批量生产、应用。（2）主要结构型式管板式将排管与平板以一定的方式连接，构成吸热板。主要有铜铝复合式（最早从国外引进）和全铜管板式（我国）。图2-10吸热板的几种结构形式管翼式

即翅片管，利用模子挤压拉伸工艺，制成金属管两侧连有翼片的吸热板，铝合金为多。主要特点：

热效率高，铝材、无结合热阻；

耐压能力强，铝合金可以承受高压；

水质不易保证，水对铝合金有腐蚀；

动态特性差，吸热板有较大的热容量。主要特点：a.热效率高，铜材，无结合热阻；b.水质清洁，水＋铜（无腐蚀）；c.耐压能力强（高压空气吹胀成型）。扁盒式将两块金属板分别模压成型，再焊接成一体。主要材料：铝合金、不锈钢、镀锌钢等。主要特点：热效率高，无结合热阻不需要焊接集管，一次模压成型焊接工艺难度大，焊接穿透和焊接不牢耐压能力差，焊点不能承受高压水质不易保证，水对铝合金有腐蚀吸热板上的涂层：吸热板上覆盖一层深色的涂层（吸收涂层），直接影响吸热板的热性能。非选择性吸收涂层：光学特性（吸收）与辐射波长无关，如普通黑漆b.选择性吸收涂层：光学特性随辐射波长不同有显著变化。要求：高吸收率、低发射率太阳6000K，0.3～2um（波长）——吸收吸热体400K，2～30um（波长）——发射

普通黑漆的太阳吸收率与长波发射率相等，可用于低温集热器。中、高温集热器（集热温度﹥环境温度30℃以上）应采用选择性涂料。

目前，较理想的涂料吸收率为0.92-0.94。2.透明面盖

盖板的作用是让可见光透过（0.3－3μm)，而不让吸热板产生的远红外线透过(＞3.0μm），使集热器内获得较高的温升——温室效应。盖板材料：

玻璃、透明玻璃钢、抗老化透明塑料板等。常用——普通玻璃。出口或高档产品——钢化玻璃板。北方——用双层盖板时，是玻璃+聚碳酸酯薄膜。盖板层数——由气候和工作温度定，一般为单层。在气温较低或工作温度较高时才用双层盖板。有条件使用透明蜂窝材料，效果非常好。

盖板与吸热板的距离应＞25mm。距离太小会降低集热效率。3.保温层

作用：↓集热器向环境散热，↑工作效率。

技术要求：（1）保温性好，导热系数λ↓，一般λ

≤

0.55W/(m2.℃)（2）不易变形、挥发，不产生毒气，不吸水。

材料：岩棉、矿棉、聚苯乙烯、硅酸铝纤维、聚氨酯发泡塑料等。

厚度：一般在15～30mm，也可用下面经验公式来计算：

λ100——保温材料在100℃时的导热系数，W/(mK)。4.外壳（箱体）

作用：将吸热板、盖板、保温层的材料组成一个整体，便于安装。

技术要求：有一定的强度和刚度，耐候性好，易加工、外观美。

材料：钢板、彩钢板、铝型材、不锈钢板、塑料和玻璃钢等。（二）平板集热器的性能参数1.基本能量平衡方程单位时间内，集热器吸收的太阳能Qa=能量损失

QL+有效利用能量QU+本身热容的变化量QS

平板集热器能量平衡示意图能量平衡关系用数学方程表示：（2-17）集热器在稳定工况下，不吸热、不放热QS=0集热器在非稳定工况下，QS＞0或QS＜0Qa=QL+QU+QS（4-1）AC——集热器面积，m2；UL——总传热系数，W/m2·℃；Tp,m——吸热板平均温度，℃；Ta——环境温度，℃；S——吸热面吸收的太阳辐射量，W/m2

Qu——集热器有效利用能量，W。2.平板型集热器的瞬时效率即：工质获得的有用能与入射到集热器上的太阳总辐射量之比。（2-18）

图2-12几种太阳集热器的瞬时效率曲线下图中,6种不同材料、结构的集热器的效率曲线，可以根据使用地区的气温、使用季节和用水温度等情况来选择集热器的状态。2.3.2真空管集热器平板型集热器的热损失：导热热损失——底部和侧面绝热层通过导热散向环境的损失；对流热损失——吸热板与透明盖板之间的空气通过对流换热向环境的散热损失；辐射热损失——吸热板与透明盖板之间、透明盖板与天空之间通过辐射换热向环境的散热损失。为↓对流和辐射热损失→真空管集热器。图2-13全玻璃真空集热管研制出内管与外管间抽真空的全玻璃真空管吸收真空管运行时产生的气体，保持管内真空度Al-N/Al(铝-氮/铝）选择性吸收涂层

将单根真空管装配在复合抛物面反射镜的底面，兼有平板和固定式聚光的特点，它能吸收太阳光的直射+80%的散射。

图2-14真空管式太阳能热水器外观图1.

金属吸热体真空管集热器当吸热体（板）由金属材料组成，也称为：金属—玻璃真空管集热器代表性的是热管式真空管集热器，又分为：

单玻璃集热管双玻璃集热管蒸发段＋冷凝段蒸发段：工质吸热蒸发冷凝段：工质冷凝放热毛细作用力＋自身重力蒸汽压力80年代起，国内、外对热管式真空管集热器进行了深入研究。热管单玻璃集热器下图是带有平板镀膜肋片的热管。热管的蒸发端封接在单层真空玻璃管内，冷凝端插入导热块或直接插入水箱里，冷凝端将所获得的热能传给水箱中的水。图2-15热管单玻璃集热器结构示意图热管双玻璃真空集热器由清华大学索兰环能所研制。集热管的蒸发端以紧配合方式插入双玻璃真空集热管内的弹性金属肋片中，冷凝端通过硅胶圈插入水箱中。图2-16热管双玻璃集热器结构示意图其它型式金属吸热体真空管集热器主要包括：同心套管式、U形管式、储热式、内聚光式、直通式等。（1）同心套管式由同心套管、金属吸热板、玻璃管等组成。太阳光穿过玻璃管，投射在吸热板上，吸热板将太阳能转换为热能，传热介质（常用水）从内管进入真空管，吸热后，通过外管流出。（2）U形管式主要由U型管、金属吸热板、玻璃管等组成工作原理类似于同心套管。（3）储热式主要由吸热管、内插管、玻璃管等组成。吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层。白天，太阳辐射能被吸热管转换为热，加热管内的水。用热水时，冷水通过内插管渐渐注入，将热水从吸热管顶出；晚上，真空夹层隔热，吸热管内的热水降温很慢最大特点：不需要另设水箱（4）内聚光式主要由吸热体、复合抛物聚光镜（CPC）、玻璃管等组成。吸热体通常是热管，平行的太阳光无论从什么方向穿过玻璃管，都会被CPC反射到位于其焦线处的吸热体上。特点：a.运行温度高（100～150℃）b.不需要跟踪系统（5）直通式通常跟抛物柱面聚光镜配套使用，组成聚光型太阳集热器。特点：运行温度高，抛物面聚光镜的开口可以做得很大，使得集热器的聚光比很高，温度可高达300～400℃。比较易于组装。图2-17几种不同集热方式的真空管集热器金属吸热体真空管集热器的特点：（1）运行温度高。所有集热器的运行温度可达70～120℃，有的甚至达300～400℃。（2）承压能力强。所有真空集热管及其系统都能承受自来水或循环泵的压力，多数集热器还可用于产生106Pa以上的热水甚至高压蒸汽。（3）耐热冲击性好（抗热震性能）。承受急剧的冷热变化。2.3.3聚集型集热器聚集型集热器:使入射的太阳能聚集到面积比入射面小得多的吸收面上，提高能量密度及流体温度。集热器由：接收器、吸收器两部分组成。分类：（1）按聚集方法分：反射式、折射式；（2）按聚集的几何形状分：

面聚焦（平面镜），线聚焦（单曲率镜），

点聚焦（双曲率镜），非聚焦型。（3）按跟踪方法分：

单轴跟踪，双轴跟踪，吸收器跟踪。图2-18槽式系统太阳能集热器复合抛物面型集热器CPC

WelfordandWinston,1978。是依据边缘光线原理设计的低聚光度非成像聚光器。与聚焦槽形抛物面集热器(PTC)相比，优点:接收角较大,可以利用几乎所有可接收到的太阳辐射,有较高的光效率；不需要太阳跟踪器；结构简单，初期投资小,运行维护费用低。图2-19CPC太阳能集热器形面示意图（2－19）（2－20）几何聚光比：能量密度聚光比：聚光比（集中比）：太阳辐射的聚集程度。A——面积，m2；I—辐照量，J/m2

；a—反射镜的开口大小，m；L—吸收器的长度，m

；d—吸收器宽度（即太阳影象直径），m

；c—吸热器。（2－21）2.3.4太阳能热利用系统1.太阳能热水系统有非循环和循环型两大类:（1）非循环型热水器开放型图2-20薄膜型图2-21密闭型图2-22，图2-23（2）循环型热水器a.自然循环式图2-24b.自然循环定温放水系统图2-25c.直流式系统图2-26d.强迫循环式图2-27图2-20开放型太阳能热水器

图2-21薄膜型太阳能热水器图2-22不锈钢管密闭型太阳能热水器

图2-23反射式密闭型太阳能热水器

图2-24一般自然循环式太阳能热水器图2-25自然循环式定温放水系统

图2-26直流式定温放水系统

图2-27强迫循环式太阳能热水系统

2.太阳暖房利用太阳能冬季取暖。集热器收集太阳辐射，将热传给工作流体，再供热到房间。多数使用热水系统，也有使用热空气系统。暖房系统组成：集热器、热储存器、辅助能源系统，及室内暖房风扇系统。最常用的暖房系统为太阳能热水装置：将热水通到储热器中（固体，液体或相变的储热系统），用风扇将室内或室外空气驱动至此吸热，再把热空气吹送至室内。采用集热温度较低的平板型集热器，或真空管集热器。

辅助热源的主要安置方式：①安在储热器内；②装在房间内；③装于储热器及房间之间。太阳能暖房系统：被动式和主动式。被动式：根据气候条件，通过建筑设计和采用材料，如墙壁、屋顶的热工性能，不添置附加设备，使房屋尽可能多地吸收和储存热量，达到采暖的目的。

特点：被动式较简单，造价低廉。主动式：需采用太阳能集热器、蓄热箱、管道、风机及泵等设备收集、储存和输配太阳能，系统中各个部分可控制，达到控制室内温度的目的。3.太阳能制冷系统

太阳能制冷方式:（1）被动式

（辐射冷却图2-28及蒸发冷却）。（2）机械压缩式

图2-29。

压缩、冷凝、膨胀、蒸发过程。（3）蒸汽喷射式制冷

图2-30（4）吸收式制冷系统图2-31

（5）干燥除湿制冷系统。图2-28辐射冷却原理图

(1)

被动式太阳能制冷图2-29理想蒸汽压缩式制冷循环原理（2）机械压缩式（3）蒸汽喷射式制冷机

图2-30太阳能蒸汽喷射式制冷机原理图1.太阳能集热器，2.氟里昂锅炉，3.蒸汽喷射器，4.喷管，5.混合室，

6.扩压室，7.冷凝器，8.蒸发器，9.膨胀阀，10.氟里昂泵用热能驱动的制冷机，以工况系数COP作为评价指标。COP—制冷机获得的制冷量Q0与消耗的热量Qh之比：（2-22）图2-31太阳能吸收式制冷原理图

（4）吸收式制冷原理

1.分子筛

在高温或相对湿度小的情况下吸附性好，常在绝热过程中做除湿剂。但再生（脱附）温度较高（150-170℃），若用集热器作热源，很难达到再生温度。

2.硅胶

在低温下有很好的吸附性，再生温度比较低（65—75℃）。但随着除湿温度的增加，吸附能力急剧下降。

（5）干燥除湿制冷系统固体干燥剂图2-32固体干燥剂吸附特性图2-33再循环式固体干燥制冷系统图图2-34通风式固体干燥制冷系统图主要发电方式：火电、水电、核电蕴藏丰富、不枯竭、安全、干净、不破坏环境的发电方式：太阳能、燃料电池、风力发电，太阳能最理想。太阳能热发电——把太阳辐射能转换为热能。把太阳光发射并集中加热，把水转换成为高温水蒸气，进蒸汽涡轮机—发电机组发电。采用抛物面聚光镜，将太阳光集中，用自控让聚光镜追随太阳转动，热效率很高，技术发展的可能性最大。太阳光发电—通过光电器件将太阳光直接转换为电能。4.太阳能热发电图2-35太阳能热发电示意图

顶棚式太阳能蒸馏器包括：太阳能蒸馏池、盆式太阳能蒸馏器等。其缺点：（1）海水加热、蒸发和冷凝在同一密闭容器内进行，难以在提高蒸发温度的同时又降低冷凝温度；（2）产水率低、热效率不高（＜30％），占地面积大。5.太阳能海水淡化图2-36顶棚式太阳能蒸馏器图2-37多级芯式多效太阳能蒸馏器图2-38Arizona大学海水淡化方案（20世纪60年代，露点蒸发技术）图2-39Lavan海水淡化方案

据国际照明委员会统计：

全世界照明用电约占总发电量的

9%～20%。

我国照明用电占总发电量的

10%～

12%。

照明用电中真正用于发光＜25%，其余以热能形式散发，造成大量的能源浪费和环境污染。

建筑中如何有效地利用自然太阳光？近年来国内外建筑采光工作者提出了不少方法和设想。

6.建筑采光照明A.导光管法

√B.光导纤维法

√C.平面反光镜一次反射法

×

用反光镜一次将太阳光反射到室内需要采光的地方，但光污染较严重。用导光管将集光器收集的光线传送到室内需要的地方，对太阳光基本没有处理。主要部件：

采光罩防雨装置导光管漫射器

目前报价：约100元/m2

1.导光管法2.光导纤维法采用太阳跟踪、透镜聚焦等技术，浓缩太阳光，再通过光导纤维把浓缩的太阳光传送到需要的地方。

（地下室、地下停车场、大型仓储商场、弹药库、矿井、油库、隧道、水中、室内植物栽培等）能大幅拦截紫外线，益于健康，维持生活习惯。国外已开始普及推广。国内南京春辉科技实业有限公司开发全自动跟踪太阳采光器（张耀明院士）。

（聚光采光器、自动跟踪太阳系统、传光光纤三部分）光导纤维（30~80元/米）拦截紫外线的原理：

凸透镜聚焦太阳光时，聚焦折射作用使太阳光中不同波长的光线在光轴上形成的焦距不同。紫外线波长较短，焦点靠近透镜；红外线波长较长，焦点远离透镜。光导纤维入射端定在紫、红外线之间的可见光焦点上，将紫外线大幅度拦截。对太阳中的X、Y、Φ、β、γ、α等放射性射线也进行了排除。采光、传送系统原理图

光导纤维的分类:按材料分：玻璃石英、塑料光导纤维；按纤维结构分：皮芯型、自聚集型；按柔性分：可挠性、不可挠性；按传递光的波长分：可见光、红外线、紫外线、激光等。

用于芯的塑料主要有：

聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、重氢化聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。

采集太阳光的照明系统已是各国竞相研究的热点；本世纪前20年是应用推广和市场培育阶段,价格是应用的瓶颈；商业建筑、工矿企业的需求会↑,特殊及安全场所将占有应用优势。干燥过程的能耗占国民生产总能耗的12%-15%。太阳能热泵干燥技术，比普通电干燥箱节电约70%；所需干燥时间是自然通风的1/3左右；可使被干燥产品的腐败率降低20%-30%，同时减少干燥过程中的污染。适用于农作物、肉制品、木材、中药材等的干燥。7.太阳能干燥2.4.1太阳光伏原理太阳能光电转换：指太阳光子通过半导体材料组成的pn结，转变为电能的过程——光生伏特效应。§2.4太阳能光电转换阳光照到半导体上反射吸收透过变成热碰撞价电子→电子-空穴对→电能若半导体内存在P-n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，在P-n结附近形成与势垒电场反向的光生电场。若在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有直流电流通过。将电池元件串联或并联，就产生一定的电压、电流、输出功率。图2-41太阳电池基本结构光伏发电特点：

①没有机械转动、摩擦和噪声；

②发电效率低；

③照射的能量密度小，占地面积大；

④获得能源与四季、昼夜、气象条件有关。2.4.2太阳能光伏发电的发展1954年第一块实用光伏电池问世。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机、90年代的环境污染，大大促进了太阳光伏发电的发展。其发展过程如下：1893年法国科学家贝克勒尔发现“光伏效应”。1876年

亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。1883年制成第一个“硒光电池”，作敏感器件。1930年肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。1941年奥尔在硅上发现光伏效应。1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。1955年

吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。1957年硅太阳电池效率达8%。1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。1959年

多晶硅太阳电池问世，效率达5%。1972年

罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。1975年非晶硅太阳电池问世。同年，带硅电池效率达6%—10%。1978年美国建成100kWp太阳地面光伏电站。特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电池，光电变换效率可达36％，快赶上了燃煤发电的效率。只能限于在卫星上使用。（1）光伏电池产量份额（2）光伏市场份额亚洲67.38%,欧洲26.57%欧洲70.88％，美国7.1

美国6.65％日本8.14%，其他14.8%2007年主要国家和地区光伏电池和光伏市场份额

市场集中在实施上网电价法的国家和地区

产业集中在亚洲，其次是欧洲和美国◆并网光伏发电发展速度最高（Renewables2007GlobalstatusReport[REN21,WWW.]）（资料来源：PhotonConsulting）

4.成本大幅度降低光伏发电成本30年来降低了2个多数量级。

2010年太阳能光伏发电成本下降趋势德国成为世界最大的光伏市场德国上网电价法实施以来的成果：

2000－2007，PV电站建设投资：超过150亿欧元

2000－2007，光伏生产线建设投资超过30亿欧元

自2000年以来光伏系统成本降低约25％：

自2006年以来降低约10％；

光伏发电成本目标将于2018年达到于常规电力水平《中华人民共和国可再生能源法》是促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展制定。由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议于2005年2月28日通过，自2006年1月1日起施行。《强制光伏上网电价法》

2012年。促进光伏产业持续健康发展，为我国能源、环境和社会的可持续发展做出贡献。太阳电池类型：

硅太阳电池；带状晶体硅电池；硅薄膜电池；

Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体太阳电池；

Ⅱ～Ⅵ族化合物太阳电池；其它太阳电池，如无机、有机、光化学太阳电池。目前主要采用：晶体硅太阳电池（单晶硅和多晶硅），其结构、制造方法不同。太阳电池的研究目标之一：降低成本。薄膜电池是一个发展方向。2.4.3太阳能电池

单晶硅太阳电池

是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构成和生产工艺已定型，已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。为了降低生产成本，现在地面应